關(guān)于高層框架結(jié)構(gòu)短柱的抗震設(shè)計的分析與處理辦法

田甜 邵海峰

【摘 要】框架結(jié)構(gòu)是當前高層建筑工程施工中較為常用的一種結(jié)構(gòu)方式，具有施工機械化程度高、施工方式較為靈活，效率大且質(zhì)量好的優(yōu)點，但在實際的工程施工和使用中，發(fā)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)相較于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震性能較差，尤其是在出現(xiàn)短柱的情況下，那么如何提高高層框架結(jié)構(gòu)短柱的抗震性能呢？本文就通過分析在高層框架中短柱的形成原因，探討了提高短柱抗震性能的處理方法，以供參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】框架結(jié)構(gòu)；短柱形成；抗震設(shè)計；處理措施

自改革開放以來，在工業(yè)和科技的發(fā)展帶動下，我國建筑業(yè)也得到了很大發(fā)展，建筑設(shè)計和施工方式都有了很大的創(chuàng)新與進步。尤其是近幾年來社會現(xiàn)代化建設(shè)的需求不斷擴大，高層建筑的平面布置與豎向結(jié)構(gòu)都更加趨于復(fù)雜化，增大了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計施工的難度。為了滿足現(xiàn)代建筑對空間的需求，框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計形式得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的推廣，這是因為框架結(jié)構(gòu)對于建筑內(nèi)部大空間的形成有著超于其他結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)越性，使建筑的平面布置更為靈活多樣。但是值得注意的是，框架結(jié)構(gòu)在實際的施工中易產(chǎn)生短柱現(xiàn)象，極大的降低了框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，為了提高高層框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，應(yīng)盡量避免短柱的形成，但若對于已經(jīng)形成短柱的結(jié)構(gòu)中，就需要對短柱的抗震設(shè)計進行處理，以提高其抗震性能。

1.高層框架結(jié)構(gòu)短柱的形成原因

高層框架結(jié)構(gòu)中軸壓比是影響框架柱破壞形態(tài)和延性的一個重要參數(shù)，定義為：

n=N/（by×hy× fc）

式中n為軸壓比；

N為柱考慮地震作用組合軸力設(shè)計值；

fc為混凝土棱柱抗壓強度設(shè)計值；

by，hy分別為柱截面寬和高。

高層框架結(jié)構(gòu)自重很大，再加上地震作用，則上式中N，即地震作用組合軸力設(shè)計值很大，在壓彎構(gòu)件中，軸壓比加大，意味截面上壓區(qū)高度增大，當壓區(qū)高度增大到一定數(shù)值時，壓彎構(gòu)件會從大偏壓破壞向小偏壓破壞狀態(tài)過渡，小偏壓破壞是延性很小或沒有延性的脆性破壞，為了避免脆性破壞，只有降低軸壓比，在柱的凈高和混凝土棱柱抗壓強度設(shè)計值一定的情況下，只有增大截面面積，柱一般為正方形或長寬相近的矩形，這樣，柱截面的高度就會增加，這樣就會產(chǎn)生短柱或極短柱。另外，像一些高層框架結(jié)構(gòu)，如圖書館的書庫、層高較低的儲藏室、地下車庫等使用荷載大的情況下，層高較低也會產(chǎn)生短柱或極短柱。

2.高層框架結(jié)構(gòu)中提高短柱抗震性能的處理辦法

一般來講，在框架結(jié)構(gòu)的施工中應(yīng)該極力避免出現(xiàn)短柱或超短柱的形成，但若在實際工程施工中因為這樣那樣的因素而影響了施工質(zhì)量，在確定了短柱的形成以后，就需要及時采取相關(guān)處理措施來增強短柱的的荷載能力，縮小短柱的截面尺寸，以增大短柱的延性，提高短柱的抗震性能。筆者在對多項出現(xiàn)短柱的框架結(jié)構(gòu)施工項目中的短柱處理方法進行了分析研究，總結(jié)出以下幾種常見的短柱抗震性能處理方法，以供借鑒。

2.1箍筋加密方式

高層建筑框架柱的抗剪能力是應(yīng)該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求的，柱端的抗彎承載力也是應(yīng)該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱，只要符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求，是能夠做到使其不發(fā)生剪切型破壞的。在出現(xiàn)短柱的框架結(jié)構(gòu)施工中，可以通過配置復(fù)合箍筋、螺旋箍方式對核心區(qū)混凝土形成良好的約束作用，繼而提高短柱的抗剪承載力和延性，以達到改善抗震性能的目地。通常會采用復(fù)合箍筋，包括井字形、菱形、八角形等形狀。

2.2配置“X”筋

通過將部分縱筋沿短柱對角線方向成斜向交叉配置，使部分縱筋內(nèi)移并使粘結(jié)應(yīng)力分布到混凝土內(nèi)部，形成“X”筋配置，這樣既可以避免密排縱筋造成的排列困難，及可能引起的粘結(jié)破壞，又可使“X”形縱筋承擔一部分剪力，從而避免柱發(fā)生剪切破壞。

2.3采用分體柱

由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪壞而失效，其抗彎強度不能完全發(fā)揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強度，使抗彎強度相應(yīng)于或略低于抗剪強度，這樣，在地震作用下，柱子將首先達到抗彎強度，從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。

人為削弱抗彎強度的方法，可以在柱中沿豎向設(shè)縫將短柱分為2或4個柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開配筋。在組成分體柱的柱肢之間可以設(shè)置一些連接件，以增強它的初期剛度和后期耗能能力。采用分體柱的方法雖然使柱子的抗剪承載力基本不變，抗彎承載力稍有降低，但是使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高，其破壞形態(tài)由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型，從而實現(xiàn)了短柱變“長柱”的設(shè)想，有效地改善了短柱尤其是剪跨比λ≤1.5的超短柱的抗震性能。

2.4采用鋼骨混凝土柱

所謂鋼骨混凝土柱是指以鋼骨為中心，在外層進行混凝土外包而成的柱體。一般在工程中，都是以鋼板焊接拼制或著以鋼筋直接扎制鋼骨，其形狀大多呈工字形、口字形或十字形。

相較于其他的鋼結(jié)構(gòu)，采用鋼骨混凝土柱的結(jié)構(gòu)中，外包的混凝土能夠有效防止鋼骨在荷載加大的情況下出現(xiàn)局部彎曲的現(xiàn)象，從而使整個鋼骨混凝土柱的剛度得到了增強，這對于提高鋼構(gòu)件的利用效率和改善鋼構(gòu)件易彎曲有著重要的意義。因此，在采用鋼骨混凝土柱的柱體結(jié)構(gòu)中，可以極大的減少鋼材的使用量，節(jié)約材料，降低成本。除了這一特性，鋼骨的外包混凝土也能夠增強柱體結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性，降低了鋼骨銹蝕的發(fā)生率，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。

與鋼筋砼結(jié)構(gòu)相比，由于配置了鋼骨，使柱子的承載力大大提高，從而有效地減小柱截面尺寸；鋼骨翼緣與箍筋對砼有很好的約束作用，砼的延性得到提高，加上鋼骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。由于鋼骨砼柱充分發(fā)揮了鋼與砼兩種材料的特點，具有截面尺寸小，自重輕，延性好以及優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟指標等特點，可以顯著改善短柱結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.5采用鋼管混凝土柱

鋼管砼是由砼填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材料，是套箍砼的一種特殊形式。由于鋼管內(nèi)的砼受到鋼管的側(cè)向約束，使得砼處于三向受壓狀態(tài)，從而使砼的抗壓強度和極限壓應(yīng)變得到很大的提高，砼特別是高強砼的延性得到顯著改善。同時，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋，其管徑與管壁厚度的比值至少都在90以下，這相當于配筋率至少都在4.6%以上，這遠遠超過抗震規(guī)范對鋼筋砼柱所要求的最小配筋率限值。由于鋼管砼的抗壓強度和變形能力特佳，即使在高軸壓比條件下，仍可形成在受壓區(qū)發(fā)展塑性變形的“壓鉸”，不存在受壓區(qū)先破壞的問題，也不存在像鋼柱那樣的受壓翼緣屈曲失穩(wěn)的問題。因此，從保證控制截面的轉(zhuǎn)動能力而言，無需限定軸壓比限值。當選用了高強砼和合適的套箍指標后，短柱的承載力可大幅度提高，通常柱截面可比普通鋼筋砼柱減小一半以上，具有良好的抗震性能。

3.結(jié)語

總之，在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的施工中，要嚴格按照技術(shù)規(guī)范的方法和程序進行施工作業(yè)，最大可能的減少短柱或超短柱的形成。而對于無法避免的短柱，就需要及時確定短柱，并根據(jù)所形成短柱的實際情況采取有針對性的有效措施對其進行處理，以提高短柱的抗剪承載能力，增大短柱的延性，使其抗震性能得到良好的改善，降低地震中因短柱影響而造成的損失。

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